Para abordar los daños en túneles de loess y piedra de barro resultantes de la hinchazón de la piedra de barro inducida por la absorción de agua en regiones frías, se emplearon experimentos de modelo y simulaciones numéricas para estudiar la distribución de presión de la roca circundante del túnel y las características de estrés de las estructuras de soporte durante la hinchazón de la piedra de barro en la base del túnel. Los hallazgos revelan que el levantamiento de la base del túnel conduce a un rápido aumento del estrés en el arco, y el auto-soporte de la interfaz es insuficiente, causando una distribución de estrés desigual en el túnel. El valor máximo de estrés en la parte inferior del arco exterior es del 30.8% de aquel en el lado interior. La fuerza interna del revestimiento del túnel en la cima del arco es la mayor. El estrés de compresión aparece en los pies del arco, mientras que el estrés de tracción aparece en el lado exterior del revestimiento. Los momentos de flexión del arco invertido son mayores que los de los hombros del arco y la cima del arco. El hombro izquierdo del arco y la parte inferior del arco están sujetos principalmente a momentos de flexión negativos, y los valores máximos son aproximadamente -500 kN·m y -400 kN·m, respectivamente. El lado izquierdo del arco invertido es el primero en agrietarse, y luego aparecieron dos grietas principales en los hombros izquierdo y derecho del arco, respectivamente. La formación y el desarrollo de las grietas longitudinales en el arco inducidas por la absorción de agua causan el fallo por abultamiento del arco invertido. Este estudio ayuda a comprender el mecanismo de daño del túnel de loess y piedra de barro en regiones frías.